船载卫星通信天线控制的关键技术研究

刘锦超 王浩然

1.武警海警总队作战勤务保障队技术保障室 北京 100195

2.中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北 石家庄 050081

船载卫星通信天线能够有效克服因船舶运行造成的摇摆和颠簸等引起的位置变化,从而使天线始终高精度的指向卫星,保证通信质量和效率。在船载天线系统设计中,对于结构强度和灵活性具有较高的要求。因此,在实际应用中,需要配合多种技术手段来实现。

1 三轴天线座技术

具有天线指向控制功能的天线座有很多,由于两轴天线座如AE和XY天线座都存在跟踪盲区,因此在船用天线中通常选择三轴天线座,方位俯仰交叉(AEC)或方位交叉俯仰(ACE),两种三轴天线座的应用有效避免了两轴天线座存在的天顶和X轴向盲区,以满足船用不间断通信系统的无盲区跟踪。AEC和ACE座架的三轴天线座,都是在X-Y轴座架的基础结构上增加一个方位轴,构成A、E、C或A、C、E的三轴控制、两轴稳定跟踪的工作模式,实现有效自动跟踪,且三轴天线座架应用于船载卫星保证了船站卫星通信不间断。

考虑到船载天线的工作环境对于机械和传动装置提出较高的耐冲击、抗振动、耐潮、防腐性能要求,还要应对舰船摇摆造成的磨损,需要具有较高的耐磨性和抗疲劳性。因此一些天线厂商在设计之初采用齿形带作传动,齿形带传动不具备较高的耐磨性和抗疲劳性,常会出现故障,设备应用可靠性不高。且由于应用了齿形带传动设备,导致更换方位和俯仰轴齿形带必须先拆除天线罩并拆开天线座架,为维修和更换带来了诸多不便。因此在国内市场,大多船载天线采用齿轮传动的AEC型天线座架或ACE型天线座架。

2 自适应跟踪技术

自适应跟踪技术是与三轴天线座技术相配套的控制算法,在船用三轴系统中,考虑到俯仰(E)轴和交叉(C)轴的工作范围是限定的,而俯仰动作需要借助于方位轴的配合,才能在一个相对合适的范围中隔离船摇。在船的工作过程中,由于船的航向在不断变化,因此就需要对AC轴位置进行同步调整,保证天线的跟踪功能不受到限制。而调整轴向是一项十分频繁、繁琐的工作,频繁切换会造成方位轴(A)和交叉(C)轴严重磨损。因而在实际应用中通常通过设置阀值来降低切换频率,以保护轴架。具体而言,当调整交叉轴工作点位置时,通过交叉轴摇摆幅度,结合交叉轴的工作范围来判断并设定交叉轴偏离靠近限位的阀值。一般交叉轴的工作区间在-50°到+50°,摇摆幅度为30°,因此通常将调节阀值设定为10°,交叉轴的摇摆中心偏离也大约为10°。应用了自适应跟踪技术的船载卫星可以保证天线在合适的工作范围内运行,有效避免交叉轴限位,从而保证连续通信。

3 应用有限元模型的天线结构

天线座的方位部分采用转盘式结构,主要由方位轴承、天线底座、方位转盘等组成,转盘式结构的轴向尺寸小而承载能力大,具有较强的刚度和较高的精度。天线的主要承重材料使用45号钢,天线反射面材料为碳纤维,天线内部各主要部件采用螺栓连接。

构建天线的有限元模型首先需要分析天线的结构型式,并对主要结构件的受力进行简化,从而对于结构件的材料进行正确赋值,并合理设置天线模型条件和工况载荷,保证简化模型在结构和功能上与天线的实际工作状态尽量一致。对于天线有限元模型材料的属性、划分方式、边界条件等参数应当进行多次模拟与修正,以保证模型与真实数据的误差保持在较小的范围。

4 天线类型与口径

船载卫星通信天线通常采用抛物面天线,通信天线主要包括主反射面、副反射面、馈源三大部分。其中,使用副反射面的通信天线的馈源辐射抛物面采用后馈,后馈天线具有结构紧凑、缩小天线罩规模的优点。而天线内部结构、天线罩、通信天线的口径等因素都极大影响通信频率。目前,以Ku波段为主的普遍应用在船载宽带卫星通信天线中。

船舶是一种移动载体,天线只能安装在空间有限的甲板上,因此必须选择和安装合适口径的天线,而口径越小的天线所使用的天线罩就越小。随着卫星资源日益丰富,通信终端产品越来越多的涌入市场,保持较小的天线口径能保证邻星之间不会产生干扰,还能有效满足各种类型船只的使用需求。至于天线口径应用于船载卫星通信的标准没有具体要求,只需保证Ku波段不会产生干扰即可入网使用。

确定天线口径工作完成后,还需要对抛物面天线的电性能指标如接收频率范围和增益、发射频率范围和增益、交叉极化隔离度、驻波比等参数进行调整。应当注意到,船载卫星通信天线的实际使用环境情况复杂,因此需要配备使用天线罩,而应用了天线罩之后就需要考虑天线罩的影响,以及需要测量带着天线罩时的工作数据。

5 稳定与电机传动

船载卫星通信天线的稳定型是结构设计的基础,对于船载卫星通信天线控制的实现具有重要作用,而船载卫星所采用的电机和传动方式决定了天线的综合性能和使用寿命。

5.1 天线稳定型 船载卫星天线不同于普通的固定卫星天线,船载卫星天线需要稳定型结构来实现天线角度的自动调整,使其对准卫星的方向,以实现信号不间断传输。固定卫星天线多采用线极化,需要调整天线的轴线和极化角,以提高天线的收发效率。使用三轴结构的卫星天线要想实现稳定、不间断通信,需要调整天线的方位角、横滚角、俯仰角、极化角等同时对准卫星,因此至少使用四个电机。

5.2 电机和传动 船载卫星通信天线多应用步进电机、无刷直流电机、伺服电机等小型电机。其中,步进电机具有控制简便、扭矩大的优势,在低速环境中应用具有显著优势,适用于两轴稳定型天线。无刷直流电机转速高、跟踪速度快,适用于三轴稳定型天线,但具有扭矩小、配重要求高、控制难度大等缺点。

而船载卫星产品使用皮带传动已十分普遍,皮带传动具有平稳、无间隙的优点,尤其是对于震动环境,皮带可以吸收并缓解船体的震动。

6 小结

总而言之,海上卫星通信的需求与日俱增,且越来越迫切。在设计船载天线系统时,需要结合海上运行环境,应用智能稳定控制算法,保证捕捉卫星的快捷灵敏,保证跟踪精度。在卫星通信产业快速发展的阶段,实现船载卫星通信天线的普及,促进海洋卫星通信的健康可持续发展。